ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?

Краткая историко-библиографическая справка. О явлениях синхронизации в природе и технике; существенные ОТЛИЧИЯ закономерностей синхронизации колеблющихся и вращающихся объектов

По-видимому, первое наблюдение и описание явления син­хронизации колеблющихся объектов принадлежит Христиану Гюй­генсу, который еще в начале второй половины XVII века обна­ружил, что пара маятниковых часов, ходивших по-разному, само- синхропизировалась, когда их прикрепляли к легкой балке вместо стены [89].

В конце XIX века Рэлей 8аметил, что две органные трубы с расположенными рядом отверстиями при близкой настройке на­чинают звучать в унисон, т. е. происходит взаимная синхрониза­ция колебаний. Иногда при этом трубы могут «заставить» друг друга почти полностью «замолчать». Аналої ичное явление было обнаружено Рэлеем и для двух электрически или механически связанных камертонов [209]. В конце предыдущего — начале те­кущего столетия были открыты явления синхронизации в элект­рических цепях и в некоторых электромеханических системах. Взаимная синхронизация электрических генераторов и взаимная синхронизация генераторов электромагнитных колебаний до не­давнего времени представляли собой главные технические прило­жения сипхропизации, им посвящено значительное число теоре­тических и экспериментальных исследований.

Что же касается вращательных движений тел, то с пезапамят - пых времен была известна сипхропизация вращательного и ор­битального движения Луны. Лупа обращена к Земле всегда одной стороной своей поверхности, чго свидетельствует о равенстве (.родппх частот вращеппя Лупы вокруг своей осп п в движении но орбите вокруг Земли. Позднее стало известно много таких (и более сложпых) примечательных соотношений между частота­ми вращательпых движений тел Солнечной системы, однако к ним до недавпего времени относились как к изолированным явлениям, ни имеющим общего значения. Видимо, только этим можно объяс­нить тот факт, что самосинхронизация вращающихся неуравнове - шеппых роторов была обнаружена, и притом случайно, лишь примерно через 300 лет после наблюдения Гюйгенсом синхрони­зации колеблющихся объектов (часов) и через много лет поело обнаружения синхронизмов («резонансов») при движении некото­рых небесных тел.

Случайное наблюдение, о котором идет речь, описано в п. 12.1; оно было сделано в 1948 г. в ходе работы, проводившейся в Ле­нинградском институте Механобр под руководством Д. А. Плис - са [176]. Первая из известных нам зарубежных публикаций, ка­сающаяся самосинхронизации вибровозбудителей, появилась позд­нее, в 1950 г., в виде патента па конкретные простейшие устройства, выданного на имя шведского изобретателя Сигнула [250, 251].

В 1953 г. автором было дано физическое объяснение и мате­матическое описание явления самосинхронизации мехапических вибровозбудителей [23]. В дальнейшем теория самосинхронизации вибровозбудителей была обобщена и развита в работах автора,

О. П. Барзукова, Л. Б. Зарецкого, Б. П. Лаврова, А. И. Лурье, Р. Ф. Нагаева, В. Н. Потураева, К. М. Рагульскиса, К. В. Фролова, К. Ш. Ходжаева и других исследователей. После 1965 г. появился ряд работ зарубежных ученых — Р. Миклашевского, В. Богуша и

3. Энгеля, Л. Шнерлинга, Араки Иосиаки, Иноуэ Дзюнкити, Хая- си Сэцуко, Мияура Суга и Окада Юкимаза. На основе выполнен­ных теоретических разработок было сделано много изобретений п создан новый класс вибрационных маших и устройств, частично рассмотренных в п. 12.2. Интегральный критерий устойчивости (экстремальное свойство) синхронных движений вибровозбудите­лей был сформулирован в работе Б. П. Лаврова и автора [27] и обоснован в работе автора [28]; эти исследования развиты Р. Ф. Нагаевым, К. Ш. Ходжаевым, К. Г. Валеевым и Р. Ф. Га­ниевым; родственные идеи принадлежат В. В. Белецкому и его ученикам, а также Т. Г. Стрижак. Обзор указанных работ и со­ответствующие библиографические сведения можно найти в кнп» гах [35, 42].

Упомянутые исследования способствовали пониманию того, что самосинхронизация вращений характерна не только для не­уравновешенных роторов, расположенных на единой колебатель­ной системе, но также и для многих других классов вращающих­ся взаимодействующих тел. Было установлено, что принципиально важным для возникновения тенденции к синхронизации является именно наличие сил взаимодействия, зависящих, помимо прочего, от угловых координат тел. При этом синхронизация вращения, сопровождающаяся установлением определенных фазовых соот­ношений, часто возникает даже при весьма слабых взаимодейст­виях. В частности, стало понятным, что в случае небесных тел речь, несомненно, идет о некоторой общей закономерности — тен­денции гравитационно взаимодействующих вращающихся тел к взаимной синхронизации [19, 20, 35, 42, 154], причем эта тенден­ция определяется общим для многпх классов вращающихся тел
мехапическим прппцппом — интегральным критерием устойчиво­сти (экстремальным свойством) синхронных движений [35, 42] (рис. 12.8). В области мехапики и теории машин, наиример, было высказано и исследовано предположение о возможности самосин­хронизации сепараторов подшипников качения [94, 42], рассмот­рена с позиции теории самосинхронизации вращающихся тел ди­намики автобалапсировочпых устройств (см. раздел 14).

Наряду с некоторыми очевидными общими элементами обна­ружился ряд существенных отличий сипхропизации вращающих­ся тел (в частности, неуравновешенных роторов) от синхрониза­ции колеблющихся объектов (в частности, маятников). Так, для роторов нет понятий о частотах свободных колебаний и о верхних и нижних положениях, весьма существенных для маятников, но есть понятия правого и левого вращения. Из одиннадцати зако­номерностей, перечисленных в п. 12.4, общими для роторов и ма­ятников являются лишь вторая, четвертая, седьмая и частично первая; остальные характерны только для роторов. Качественные различия имеются и в характере фазовых пространств соответст­вующих систем, а также в поведении траекторий, отвечающих синхронным движениям в этих пространствах.

С прикладной точки зрепия особенпо существенным является эффект передачи больших мощностей: как показывают оценки, эти мощности на порядок-два больше для роторов, чем для маятников. Видимо, по этой причине открытая более трехсот лет тому назад самосинхронизация механических объектов типа маятников еще но нашла серьезного технического применения, тогда как недавно обнаруженная самосинхронизация роторов широко используется.

С принципиальной точки зрения существенно, что для колеб - ляющихся объектов по найдено экстремальное свойство устойчивых движений того типа, как для вращающихся тел. В связи с этим наличие тенденции к синхронизации, доказанное для широкого

класса вращающихся тел, для колеблющихся объектов пока в об­щей форме не установлено.

Обнаружение и исследование явления самосинхронизации вра­щающихся тел стимулировало развитие общей теории синхрони­зации динамических объектов и способствовало формированию взгляда на тенденцию к синхронизации как на общее свойство ма­териальных объектов различной природы — тенденцию к самоор­ганизации. Работы этого направления принадлежат А. И. Лурье, Р. Ф. Нагаеву, Ю. И. Иеймарку и А. С. Гуртовнику, а также автору.

Появились иптереспые исследования явлений синхронизации в биологии [191, 235].

Результаты большинства упомянутых исследований по теории синхронизации, а также ее экспериментальной проверке и прак­тическим применениям обобщены в книгах [35, 42]; там же об­суждается ряд еще пе получивших полного подтверждения гипо­тез о роли явлений синхронизации в микромире, в эволюции Все­ленной, в биологии и медицине.

Вызывает удивление, что концепция и результаты теории синхронизации динамических объектов, явно относящиеся к вре­менной самоорганизации в неравновесных системах [68], т. е. к неравновесной термодипамике и синергетике [183, 223], не вклю­чаются их основателями в круг рассматриваемых ими проблем. Между тем многие принципиальные моменты, обсуждаемые в рам­ках указаыпых направлений па умозрительном уровне или па уровне гипотез, получили математическое обоснование в теории синхронизации еще в 1962—1964 гг.